桫椤科植物是研究植物的起源与进化、地理区系、生态适应、古气候等方面的重要材料,曾由于生境破碎化和丧失而连续处于濒危状态。由于桫椤科是极其罕见的木本蕨类植物,故研究主要集中在孢子体时期的形态分类学、分子系统发育、孢子培养、适应性进化等方面,关于配子体时期研究较少。Pb、Cd是常见的污染物且非植物发育必需元素,会影响地上部分植物的发育生长、物种多样性及环境的稳态,对蕨类植物生长发育的影响的研究也主要集中在蕨类植物孢子体的生理响应、耐性特征、对生态修复的应用等,对生活史中重要的配子体世代的研究薄弱。因此本文选择桫椤科代表植物笔筒树为实验材料,采用了1/2MS半固体培养基培养和土壤培养,通过光学显微镜观察及性器、胚胎的连续石蜡切片法,研究了不同浓度的铅、镉单一及复合胁迫对笔筒树孢子萌发、配子体发育过程、性器发育、胚胎发育、孢子体发育等整个生活史的影响,并进行了性状特征的比较,探究笔筒树生殖受到限制的原因以及与重金属污染的关系,为我国桫椤科植物的相关保护工作提供参考。研究结果表明:(1)笔筒树孢子萌发时间平均为5d,萌发方式为书带蕨型(Vittaria-type)。外源Pb2+、Cd2+处理后孢子会随着重金属浓度增加而延长萌发时间。笔筒树对重金属胁迫的形态响应主要从原叶体开始体现,具体表现为原丝体、片状体、原叶体发育迟缓、形态异常。若两种重金属胁迫浓度超过某一数值,叶绿体数量会明显减少,形态、颜色均会发生不同程度的改变。遭受两种重金属胁迫后的假根多数均表现为异常形态,包括螺旋、肿胀及长度受到抑制。在配子体细胞中Cd2+胁迫后表现为质膜受损,内容物消失;Pb2+胁迫后细胞颜色产生变化;复合胁迫后笔筒树配子体出现的大面积坏死。加入低浓度Cd2+时随着培养时间的延长产生了大量的绿色小球体。(2)笔筒树的配子体多数为两性配子体,但低浓度的Pb2+处理后会增加雄配子体的比率,低浓度Cd2+导致雌配子体分化的比率要高于对照组及Pb2+胁迫,高浓度的Pb2+、Cd2+复合胁迫会导致无性配子体比率升高。Pb2+胁迫处理后精子器出现分化进程受阻、精子器中的胞质不均匀、整体褐变等。Cd2+胁迫后,精子器内部物质的变化更加明显。Pb2+胁迫对精子鞭毛的影响较为常见,Cd2+胁迫通常会使精核发育异常。颈卵器的形态、颜色、发育进程等均出现了一定程度的变化,且高浓度胁迫后颈卵器的损伤比低浓度条件下更加严重。(3)笔筒树具有核心薄囊蕨科的典型胚胎分裂特征。重金属胁迫后产生的区别主要是各个胚胎分裂环节开始的时间。胚胎发育的各个阶段均会由于一定浓度的重金属胁迫而产生与对照组之间的差异性,例如分裂速度、胚胎完整性等,褐变是经重金属胁迫后胚胎的主要应答表现。(4)经过慢性胁迫后,营养器官发生时间延后较多,孢子体部分结构颜色出现变化且体积较小。一定浓度的Pb2+、Cd2+急性胁迫对笔筒树孢子体许多性状特征产生不利影响。Pb、Cd两种重金属在抑制笔筒树生长发育方面具有协同作用。人工育苗可以一定程度提高笔筒树成活比率。综合以上研究结果,本文认为,Pb、Cd单一及复合胁迫对笔筒树整个生殖发育全过程均造成了不同程度的影响,且随着浓度的增加和处理时间的延长,这种影响会不断加剧;笔筒树的配子体时期相较于孢子体时期对于重金属的胁迫更加敏感;Pb2+、Cd2+会影响笔筒树配子体的性别分化;笔筒树的精子是整个世代交替过程在重金属胁迫下最脆弱的环节,可能是桫椤科植物持续濒危的原因之一;Pb2+、Cd2+在抑制笔筒树生长发育方面具有协同作用;笔筒树受两种重金属胁迫后结构形态出现的毒害现象暗示其在一定程度上可作为环境指示植物。